磁導率檢測技術對430不銹鋼構件檢測的最優(yōu)激勵頻率設計研究

任仙芝　任尚坤　樊清泉

摘要：磁導率檢測技術是一種可高精度評價鐵磁構件整體或部分區(qū)域應力集中、疲勞損傷狀況的無損檢測方法。依據磁導率檢測原理，以430鐵素體不銹鋼試件為研究對象，研究激勵電壓幅值、激勵線圈匝數(shù)、檢測線圈匝數(shù)及外加拉應力對檢測傳感器最優(yōu)激勵頻率的影響。研究發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)檢測頻率隨激勵線圈匝數(shù)的增加而減小;最優(yōu)檢測頻率與外加拉應力有關，當外加拉應力超出試件的彈性變形階段時，最優(yōu)頻率隨拉應力的增大而增大;最優(yōu)檢測頻率不隨激勵電壓幅值、檢測線圈匝數(shù)的變化而變化，但隨著激勵電壓幅值、檢測線圈匝數(shù)的增加，檢測靈敏度升高。該研究結論可為靈敏傳感器的設計提供參考。

關鍵詞：無損檢測;磁導率檢測;鐵素體不銹鋼;激勵源;線圈匝數(shù);拉應力

中圖分類號：TG115.28 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）08-0038-06

0 引言

430不銹鋼為含鉻量16%～18%，晶體結構為體心立方晶格的鐵基合金，在室溫下以鐵素體組織為主[1]。作為中鉻鐵素體不銹鋼的代表，430不銹鋼兼顧了低線膨脹系數(shù)、高熱導率、高強度、高耐腐蝕性等多方面優(yōu)良性能[2]。相比于奧氏體不銹鋼而言，鐵素體不銹鋼是一種節(jié)鎳、成本低，很有發(fā)展前景及重要的利用價值，在某些方面甚至可以代替奧氏體不銹鋼[3]。其多應用于汽車排氣系統(tǒng)、外部面板、鍋爐內管、衛(wèi)生器具、沿海建筑等領域，是現(xiàn)代工業(yè)生產應用中最廣泛、使用量最大的鐵素體不銹鋼[4]。但在實際運用中，鐵素體不銹鋼本身的不足會限制其更廣泛的應用，如在焊接過程中，由于接頭部位晶粒粗化引起的脆化、裂紋及晶間腐蝕等，嚴重影響其焊接效果[5-6]。因此，在對構件進行現(xiàn)場檢測時，能夠快捷準確地檢測出缺陷區(qū)域（應力集中、疲勞損傷等）及嚴重程度，對構件突發(fā)性失效的預防和重大災難的防止具有重要的現(xiàn)實意義[7-8]。

當前，金屬磁記憶檢測法[9-10]、超聲波[11]、電渦流[12]聲發(fā)射[13]、X光[14]等無損檢測方法有很多，但是都存在操作過程復雜、受外部因素影響較大，對待檢構件的要求苛刻、效率低下等問題，并且在檢測過程中都有各自的局限性，均不能滿足人們實際應用的要求，還會造成人力、物力和財力資源的浪費。磁導率檢測技術[15-16]是一種新興的無損檢測方法，以電磁感應原理為理論基礎，可以對鐵磁構件由外部環(huán)境引起的整體或區(qū)域的缺陷損傷程度（應力集中、疲勞損傷）進行早期預測，并可有效評價殘余壽命。其中，試驗中所應用的檢測傳感器在該檢測系統(tǒng)中起著至關重要的作用。由于磁導率檢測技術的檢測傳感器需要激勵源提供激勵，則激勵源的參數(shù)設置，如激勵幅值、激勵頻率、激勵波形等，會對試驗平臺的檢測準確度產生影響。因此，基于磁導率檢測技術對檢測傳感器最優(yōu)激勵頻率影響因素的研究具有重要的實際意義。本文采用磁導率檢測技術對430不銹鋼構件檢測傳感器最優(yōu)激勵頻率的影響因素（激勵電壓幅值、線圈匝數(shù)、外加拉應力等）進行試驗研究，從檢測信號、激勵信號兩方面優(yōu)化檢測傳感器系統(tǒng)，對實際工作中鐵磁構件的應力集中、疲勞損傷及熱處理等微觀缺陷的檢驗具有一定的指導意義。

1 檢測信號與磁導率的關系分析

磁導率檢測技術以微觀力磁效應和電磁感應原理為理論基礎。在探頭與被檢鐵磁工件構成的閉合回路中，給檢測探頭的激勵線圈通人交變信號后，激勵線圈周圍就會由交變的電場產生感應磁場。由于檢測線圈也在此閉合回路中，則由穿過檢測線圈的交變磁場會在檢測線圈內產生感應電場，并能以電流或電壓的方式輸出。當鐵磁試件內部存在微觀缺陷時，根據力磁效應，感應磁場通過該部位時，磁通密度就會改變。鐵磁試件微觀缺陷的存在會影響鐵磁試件的磁導率，在閉合磁回路中，待測鐵磁試件的磁阻會因鐵磁試件的磁導率的變化而變化，引起檢測探頭中磁通密度的改變，從而實現(xiàn)對鐵磁試件微觀缺陷（應力集中、疲勞損傷）的檢測。檢測探頭結構如圖1所示。

試驗中的激勵源選取恒壓源，由基爾霍夫磁路第一定律和第二定律可知，待測試件磁導率的變化可以通過磁軛中磁通密度的變化率來反映，并且對所測量的待測試件的磁導率具有較高的檢測靈敏度。同時，磁軛中磁通密度的變化引起檢測線圈感應電壓的變化，其感應信號可通過檢測線圈輸出。

由磁路歐姆定律，i=φR_m，其中，i為磁軛的電流線密度，φ為磁通量，R_m為全磁路磁阻，可得φ=i/R_m，R_m包括R_m外和R_m內分別為磁回路中磁軛磁阻和磁回路被測試件磁阻。則有φ=i/R_m=i/（R_m外+R_m內）=i/[R_m外+L/（μS）]，其中，μ為被測試件的磁導率，L為被測試件區(qū)域長度，S為被測試件的平均等效截面積。

依據麥克斯韋第二方程，磁通密度B=φ/S，可得到感應輸出信號：其中，N₂為檢測線圈匝數(shù)。

由上式可知，當待測試件磁導率μ發(fā)生改變時，可造成對應的輸出的電壓信號發(fā)生變化，負號表示電流與電壓的極性相反。由于微觀缺陷（如應力集中、疲勞損傷）的產生會對構件的磁導率造成影響，因此可依據檢測電壓信號值的大小變化來判斷待測試件對象內部的結構狀態(tài)?？梢?，檢測電壓信號u與待測試件磁導率密切相關，檢測信號的變化可直接反映待測試件的磁導率的變化，進而反映鐵磁構件的內部結構變化。

2 傳感器最優(yōu)檢測頻率影響因素的試驗分析

2.1 試驗平臺的搭建

所搭建的試驗平臺主要包括：任意波發(fā)生器、示波器、傳感器、電壓表、電流表、帶通濾波及信號處理電路。選用430鐵素體不銹鋼試件作為試驗對象，外形尺寸如圖2所示（厚度：1.8mm）。U型磁軛選擇高磁導率的錳鋅鐵氧體材料，其外形尺寸為58mm×13mm×33mm。激勵線圈纏繞在U型磁扼梁部形成偏置磁化的磁路，檢測線圈纏繞在磁軛極靴上用以檢測信號值。其中，檢測線圈采用雙線圈對稱性結構，兩組線圈之間串聯(lián)構成，線圈采用一定線徑的漆包線各在骨架上繞制相應的匝數(shù)，分別在U型磁軛上的兩個極靴上對稱安裝。本文選用正弦波作為電壓激勵源進行試驗，激勵信號由任意波形發(fā)生器DG4000產生，在示波器上讀取檢測線圈上的拾取信號。

試驗中選取鐵磁回路和空氣回路兩個回路。鐵磁回路是由磁芯和鐵磁試件構成的閉合磁路;空氣回路是由探頭磁芯和空氣構成的閉合回路。檢測靈敏度以鐵磁回路與空氣回路的檢測信號之差來表示。定義檢測靈敏度最高時對應的激勵頻率為最優(yōu)檢測頻率。

2.2 交流激勵電壓頻率（f）對檢測信號的影響

保持激勵線圈和檢測線圈均為300匝，線圈繞線線徑為0.2mm，激勵線圈通人5V的正弦交流電壓，鐵磁回路和空氣回路及其差值（檢測靈敏度）隨激勵頻率的變化關系如圖3所示。其中，所測電壓信號均為峰一峰值（Vpp）。圖3表明，在一定激勵頻率范圍內，鐵磁回路和空氣回路檢測信號都隨激勵頻率的增加而增加，但增加的速率不同。鐵磁回路和空氣回路檢測信號之差（檢測靈敏度）隨頻率的增大先增加后減小，存在一極值，即為該檢測探頭的最優(yōu)檢測頻率。最優(yōu)檢測頻率為300Hz，該條件下的檢測靈敏度最大為7.54V。

2.3 交流激勵電壓（U）對最優(yōu)檢測頻率的影響

保持激勵線圈和檢測線圈匝數(shù)均為300匝，線徑0.2mm。不同激勵電壓條件下檢測靈敏度隨激勵頻率的變化關系如圖4所示。由圖可知，不同激勵電壓下檢測靈敏度極大值所對應的頻率均為300Hz，由上述最優(yōu)頻率定義知最優(yōu)頻率即為300Hz，即最優(yōu)檢測頻率不隨交流激勵電壓變化而變化。檢測靈敏度隨激勵電壓的增加而升高，呈線性關系，并且單位電壓的靈敏度是與電壓無關的常數(shù)。

2.4 線圈匝數(shù)對最優(yōu)檢測頻率的影響

2.4.1 激勵線圈匝數(shù)對最優(yōu)檢測頻率的影響

保持檢測線圈匝數(shù)300匝，線徑0.2mm，激勵電壓5V。圖5表示在不同激勵線圈匝數(shù)下檢測靈敏度隨頻率的變化關系。由圖可知，隨著激勵線圈匝數(shù)的增加，檢測靈敏度極值點對應的頻率左移，即最優(yōu)頻率隨激勵線圈匝數(shù)的增加而減小，檢測靈敏度亦隨激勵線圈匝數(shù)的增加而減小。在激勵輸入與檢測輸出電路中，最優(yōu)激勵頻率的移位方向應與保持電路中阻抗最低的方向一致。激勵線圈增加，電路中的阻抗增加，頻率減少。同時，激勵線圈增加，阻抗（電阻、電感）增加更快，導致電流快速減小，進而檢測靈敏度降低。

2.4.2 檢測線圈匝數(shù)對最優(yōu)檢測頻率的影響

保持激勵線圈匝數(shù)300匝，線徑0.2mm，激勵電壓5V。圖6為在不同檢測線圈匝數(shù)下檢測靈敏度隨頻率的變化關系，圖7為測靈敏度隨檢測線圈匝數(shù)的變化關系。由圖6可知，隨著檢測線圈匝數(shù)的增加，檢測靈敏度極值點對應的頻率不變，即最優(yōu)頻率不隨檢測線圈匝數(shù)的變化而變化。由圖7可知，檢測靈敏度隨檢測線圈匝數(shù)的增加而升高，且近似為線性關系。可見，可依據增加檢測線圈的匝數(shù)，使得檢測靈敏度升高。

2.5 拉應力對最優(yōu)檢測頻率的影響

對6塊試件進行相同的去應力退火處理：將試件在退火爐中以10℃/min的上升速率加熱到700℃，然后恒溫保持2h，最后隨爐冷卻到600℃取出空冷。其中，1號試件未拉伸，2號、3號、4號、5號和6號試件分別在拉伸機上施加148MPa（8kN）、222MPa（12kN）、278MPa（15kN）、370MPa（20kN）、426MPa（23kN）的拉應力，然后卸載。無拉應力時測得試件最佳頻率為260Hz。將1號試件直接拉斷，負荷-變形曲線如圖8所示。由圖可知，屈服強度218MPa（11.8kN），抗拉強度432MPa（23.31kN）?？芍?，2號試件處于彈性變形階段，3號試件處于屈服變形階段，4號、5號及6號試件處于均勻塑性變形階段。

圖9表示在不同拉應力作用下檢測靈敏度隨頻率的變化關系，表1給出了不同拉應力作用下的最優(yōu)頻率值。由圖9及表1可知，試件處于彈性變形階段時，最佳頻率保持不變;超出試件的彈性變形階段后，隨著拉應力的增大，檢測靈敏度極值點右移，即最優(yōu)頻率隨著拉應力的增加而增大，且在均勻塑性變形階段后期增速緩慢。這是因為：1）當試件在彈性變形階段加載應力時，卸載后試件的變形可全部消失;2）在屈服變形階段，內應力并不增加，保持相對平穩(wěn)狀態(tài)，但塑性應變在增加，卸載后試件變形無法恢復;3）在塑性變形階段，變形一直增加，負荷增速緩慢。綜上，當外應力超出了試件的彈性變形階段時，將對最優(yōu)檢測頻率有影響。由圖9還可以看出，檢測信號值隨拉應力的增大而下移，這是因為隨著拉應力的增大，試件磁導率減小，導致檢測信號值減小。可見，對試件所處應力狀態(tài)的檢測，可以采用磁導率信號和最優(yōu)激勵頻率信號進行檢測，即采用雙信息融合的方法進行判定和評價。

3 結束語

依據磁導率檢測原理，研究了激勵電壓幅值、激勵線圈匝數(shù)、檢測線圈匝數(shù)及外加拉應力對最優(yōu)檢測頻率的影響，可得結論如下：

1）磁導率檢測靈敏度與激勵頻率有關，檢測靈敏度隨頻率的增大，先增加后減小，存在一極值點，即存在一最優(yōu)檢測頻率使得檢測靈敏度最大。

2）最優(yōu)檢測頻率與激勵線圈匝數(shù)有關，隨激勵線圈匝數(shù)的增加而減小。最優(yōu)檢測頻率與檢測線圈匝數(shù)、激勵電壓幅值無關，不隨檢測線圈匝數(shù)、激勵電壓幅值的變化而變化。

3）最優(yōu)檢測頻率與外加拉應力有關。當外加拉應力超出試件的彈性變形階段時，最優(yōu)頻率隨拉應力的增大而增大，且在均勻塑性變形階段后期增速緩慢。結果表明，可以依據最優(yōu)頻率位置對構件拉力殘余應力進行檢測。

4）磁導率檢測技術可以采用雙信息（磁導率信號、最優(yōu)激勵頻率）融合的數(shù)據處理方法，對鐵磁構件的應力集中和疲勞損傷進行檢測和評價。

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（編輯：商丹丹）